Antenas fractales para televisión. Antena fractal de banda ultraancha basada en un monopolo circular. Luego, se envió una onda electromagnética plana a la antena fractal diseñada y el programa calculó la propagación del campo antes y después.

En matemáticas, los fractales son conjuntos formados por elementos similares al conjunto en su conjunto. Mejor ejemplo: Si miras de cerca la línea de una elipse, se volverá recta. En un fractal, por mucho que lo acerques, la imagen seguirá siendo compleja y similar a la vista general. Los elementos están dispuestos de forma extraña. En consecuencia, consideramos que los círculos concéntricos son el ejemplo más simple de fractal. No importa qué tan cerca te acerques, aparecen nuevos círculos. Hay muchos ejemplos de fractales. Por ejemplo, Wikipedia ofrece un dibujo de la col romanesco, donde la col consta de conos que se parecen exactamente a la col dibujada. Los lectores ahora comprenden que fabricar antenas fractales no es fácil. Pero es interesante.

¿Por qué se necesitan antenas fractales?

El objetivo de una antena fractal es captar más con menos. En los vídeos occidentales es posible encontrar un paraboloide, cuyo emisor será un trozo de cinta fractal. Ya se están fabricando elementos de dispositivos de microondas a partir de láminas que son más eficientes que los convencionales. Le mostraremos cómo completar una antena fractal y nos ocuparemos de la coincidencia solo con el medidor SWR. Mencionemos que existe toda una web, extranjera por supuesto, donde se promociona el producto correspondiente con fines comerciales, no hay dibujos. Nuestra antena fractal casera es más sencilla, la principal ventaja es que puedes hacer el diseño con tus propias manos.

Las primeras antenas fractales, bicónicas, aparecieron, según un vídeo del sitio web fractenna.com, en 1897 por Oliver Lodge. No busques en Wikipedia. En comparación con un dipolo convencional, un par de triángulos en lugar de un vibrador proporciona una expansión de banda del 20%. Al crear estructuras que se repiten periódicamente, fue posible ensamblar antenas en miniatura no peores que sus contrapartes más grandes. A menudo encontrará una antena bicónica en forma de dos marcos o placas de formas extrañas.

En última instancia, esto permitirá recibir más canales de televisión.

Si escribe una solicitud en YouTube, aparece un video sobre cómo hacer antenas fractales. Entenderás mejor cómo funciona si imaginas la estrella de seis puntas de la bandera israelí, cuya esquina fue cortada junto con los hombros. Resultó que quedaban tres esquinas, dos tenían un lado en su lugar y el otro no. La sexta esquina está completamente ausente. Ahora colocaremos dos estrellas similares verticalmente, con ángulos centrales entre sí, hendiduras a izquierda y derecha, y encima de ellas, un par similar. El resultado fue un conjunto de antenas: la antena fractal más simple.

Las estrellas están conectadas en las esquinas mediante un alimentador. Por parejas por columnas. La señal se toma de la línea, exactamente en el medio de cada cable. La estructura se ensambla con pernos sobre un sustrato dieléctrico (plástico) del tamaño adecuado. El lado de la estrella mide exactamente una pulgada, la distancia vertical entre las esquinas de las estrellas (la longitud del alimentador) es de cuatro pulgadas y la distancia horizontal (la distancia entre los dos cables del alimentador) es una pulgada. Las estrellas tienen ángulos de 60 grados en sus vértices, ahora el lector dibujará algo similar en forma de plantilla, para luego poder hacer él mismo una antena fractal. Hicimos un boceto de trabajo, pero no se cumplió con la escala. No podemos garantizar que las estrellas salieron exactamente, pintura de microsoft sin mucha capacidad para producir dibujos precisos. Basta con mirar la imagen para ver la estructura de la antena fractal:

1. El rectángulo marrón muestra el sustrato dieléctrico. La antena fractal que se muestra en la figura tiene un patrón de radiación simétrico. Si el emisor está protegido contra interferencias, la pantalla se coloca en cuatro postes detrás del sustrato a una distancia de una pulgada. En frecuencias no es necesario colocar una lámina sólida de metal, bastará con una malla de un cuarto de pulgada de lado, no olvides conectar la pantalla a la trenza del cable.
2. Un alimentador con una impedancia característica de 75 ohmios requiere coordinación. Busque o fabrique un transformador que convierta 300 ohmios en 75 ohmios. Es mejor abastecerse de un medidor de ROE y seleccionar los parámetros necesarios no al tacto, sino utilizando el dispositivo.
3. Cuatro estrellas, dobladas con alambre de cobre. Limpiaremos el aislamiento de barniz en la unión con el alimentador (si lo hubiera). La alimentación interna de la antena consta de dos trozos de cable paralelos. Es una buena idea colocar la antena en una caja para protegerla del mal tiempo.

Montaje de una antena fractal para televisión digital.

Después de leer esta reseña hasta el final, cualquiera puede hacer antenas fractales. Nos adentramos tanto en el diseño que nos olvidamos de hablar de polarización. Suponemos que es lineal y horizontal. Esto surge de consideraciones:

• El vídeo es obviamente de origen americano, la conversación trata sobre HDTV. Por tanto, podemos adoptar la moda del país especificado.
• Como saben, pocos países del planeta transmiten desde satélites que utilizan polarización circular, entre ellos la Federación de Rusia y los Estados Unidos. Por tanto, creemos que otras tecnologías de transmisión de información son similares. ¿Por qué? Hubo una Guerra Fría, creemos que ambos países eligieron estratégicamente qué y cómo transferir, otros países procedieron de consideraciones puramente prácticas. La polarización circular se introdujo específicamente para los satélites espías (que se mueven constantemente en relación con el observador). Por tanto, hay motivos para creer que existen similitudes en la radiodifusión y la televisión.
• La estructura de la antena dice que es lineal. Simplemente no hay ningún lugar donde conseguir polarización circular o elíptica. Por lo tanto, a menos que entre nuestros lectores haya profesionales que posean MMANA, si la antena no encaja en la posición aceptada, gírela 90 grados en el plano del emisor. La polarización cambiará a vertical. Por cierto, muchos podrán captar FM si las dimensiones son 4 veces mayores, es mejor elegir un cable más grueso (por ejemplo, 10 mm).

Esperamos haber explicado a los lectores cómo utilizar una antena fractal. Un par de consejos para un fácil montaje. Por lo tanto, trate de encontrar alambre con protección barnizada. Doble las formas como se muestra en la imagen. Entonces los diseñadores divergen, recomendamos hacer esto:

1. Pele las estrellas y los cables alimentadores en los puntos de unión. Asegure los cables alimentadores por las orejas con pernos al respaldo en las partes intermedias. Para realizar la acción correctamente, mide un centímetro de antelación y dibuja dos líneas paralelas con un lápiz. Debería haber cables a lo largo de ellos.
2. Suelde una sola estructura, comprobando cuidadosamente las distancias. Los autores del video recomiendan hacer el emisor de manera que las estrellas queden planas sobre los comederos con sus esquinas y con sus extremos opuestos descansen en el borde del sustrato (cada una en dos lugares). Para una estrella aproximada, las ubicaciones están marcadas en azul.
3. Para cumplir con la condición, apriete cada estrella en un lugar con un perno con una abrazadera dieléctrica (por ejemplo, cables PVA hechos de batista y similares). En la figura, las ubicaciones de montaje se muestran en rojo para una estrella. El perno está dibujado esquemáticamente con un círculo.

El cable de alimentación va (opcional) desde reverso. Haga agujeros en su lugar. La ROE se ajusta cambiando la distancia entre los cables alimentadores, pero en este diseño este es un método sádico. Recomendamos simplemente medir la impedancia de la antena. Te recordamos cómo se hace esto. Necesitará un generador a la frecuencia del programa que está viendo, por ejemplo, 500 MHz, y además un voltímetro de alta frecuencia que no abandone la señal.

Luego se mide el voltaje producido por el generador, para lo cual se conecta a un voltímetro (en paralelo). Montamos un divisor resistivo a partir de una resistencia variable con una autoinductancia extremadamente baja y una antena (lo conectamos en serie después del generador, primero la resistencia, luego la antena). Medimos el voltaje con un voltímetro. resistencia variable, mientras se ajusta simultáneamente el calibre hasta que las lecturas del generador sin carga (ver punto arriba) sean el doble de las actuales. Esto significa que el valor de la resistencia variable se ha vuelto igual a la impedancia de onda de la antena a una frecuencia de 500 MHz.

Ahora es posible fabricar el transformador según sea necesario. Es difícil encontrar lo que necesita en Internet, para aquellos a quienes les gusta escuchar transmisiones de radio, encontramos una respuesta preparada en http://www.cqham.ru/tr.htm. En el sitio web está escrito y dibujado cómo combinar la carga con un cable de 50 ohmios. Tenga en cuenta que las frecuencias corresponden al rango HF, aquí el SW encaja parcialmente. La impedancia característica de la antena se mantiene en el rango de 50 a 200 ohmios. Es difícil decir cuánto dará la estrella. Si tienes en tu finca un dispositivo para medir la impedancia de onda de una línea, te recordamos: si la longitud del alimentador es múltiplo de un cuarto de la longitud de onda, la impedancia de la antena se transmite a la salida sin cambios. Para alcances pequeños y grandes, es imposible proporcionar tales condiciones (recuerde que especialmente las antenas fractales también incluyen un alcance extendido), pero para fines de medición este hecho se utiliza en todas partes.

Ahora los lectores saben todo sobre estos increíbles dispositivos transceptores. Una forma tan inusual sugiere que la diversidad del Universo no encaja en los límites típicos.

El mundo no está sin gente buena :-)
Valery UR3CAH: "Buenas tardes, Egor. Creo que este artículo (es decir, la sección "Antenas fractales: menos es más") corresponde al tema de tu sitio y será de tu interés :) 73!"
Sí, por supuesto que es interesante. Ya hemos tocado este tema hasta cierto punto cuando hablamos de la geometría de los hexabimos. Allí también surgió el dilema de “compactar” la longitud eléctrica en dimensiones geométricas :-). Así que muchas gracias Valery por enviar el material.
Antenas fractales: menos es más
Durante el último medio siglo, la vida ha comenzado a cambiar rápidamente. La mayoría de nosotros aceptamos los logros. tecnologías modernas por sentado. Te acostumbras muy rápidamente a todo lo que te hace la vida más cómoda. Rara vez alguien hace la pregunta "¿De dónde vino esto?" ¿Y, cómo funciona?" Un microondas calienta el desayuno, genial, un smartphone te da la oportunidad de hablar con otra persona, genial. Esto nos parece una posibilidad obvia.
Pero la vida podría haber sido completamente diferente si una persona no hubiera buscado una explicación a los hechos ocurridos. Tomemos como ejemplo los teléfonos móviles. ¿Recuerdas las antenas retráctiles de los primeros modelos? Interfirieron, aumentaron el tamaño del dispositivo y, al final, a menudo se rompieron. Creemos que se han hundido en el olvido para siempre, y parte de la razón de esto son... los fractales.
Los patrones fractales fascinan con sus patrones. Definitivamente se parecen a imágenes de objetos cósmicos: nebulosas, cúmulos de galaxias, etc. Por tanto, es bastante natural que cuando Mandelbrot expresó su teoría de los fractales, su investigación despertó un mayor interés entre quienes estudiaban astronomía. Uno de estos aficionados llamado Nathan Cohen, después de asistir a una conferencia de Benoit Mandelbrot en Budapest, tuvo la idea. aplicación práctica conocimientos adquiridos. Es cierto que lo hizo de forma intuitiva y el azar jugó un papel importante en su descubrimiento. Como radioaficionado, Nathan buscó crear una antena con la mayor sensibilidad posible.
La única forma La mejora de los parámetros de la antena, que entonces se conocía, consistía en aumentar sus dimensiones geométricas. Sin embargo, el propietario de la propiedad en el centro de Boston que Nathan alquiló se opuso categóricamente a instalar dispositivos grandes en el techo. Luego Nathan comenzó a experimentar con diferentes formas de antena, tratando de obtener el máximo resultado con el mínimo tamaño. Inspirado por la idea de las formas fractales, Cohen, como dicen, hizo al azar uno de los fractales más famosos con alambre: el "copo de nieve de Koch". El matemático sueco Helge von Koch ideó esta curva en 1904. Se obtiene dividiendo un segmento en tres partes y sustituyendo el segmento medio por un triángulo equilátero sin lado coincidente con este segmento. La definición es un poco difícil de entender, pero en la figura todo es claro y sencillo.
También existen otras variaciones de la curva de Koch, pero la forma aproximada de la curva sigue siendo similar.

Cuando Nathan conectó la antena al receptor de radio, se sorprendió mucho: la sensibilidad aumentó drásticamente. Después de una serie de experimentos, el futuro profesor de la Universidad de Boston se dio cuenta de que una antena fabricada según un patrón fractal tiene una alta eficiencia y cubre un rango de frecuencia mucho más amplio en comparación con las soluciones clásicas. Además, la forma de la antena en forma de curva fractal permite reducir significativamente las dimensiones geométricas. A Nathan Cohen incluso se le ocurrió un teorema que demuestra que para crear antena de banda ancha basta con darle la forma de una curva fractal autosemejante.

El autor patentó su descubrimiento y fundó una empresa para el desarrollo y diseño de antenas fractales, Fractal Antenna Systems, creyendo con razón que en el futuro, gracias a su descubrimiento, los teléfonos móviles podrán deshacerse de las antenas voluminosas y volverse más compactos. En principio, esto es lo que ocurrió. Es cierto que hasta el día de hoy Nathan está inmerso en una batalla legal con grandes corporaciones, que utiliza ilegalmente su descubrimiento para producir dispositivos de comunicación compactos. Algunos fabricantes famosos dispositivos móviles Empresas como Motorola ya han llegado a un acuerdo de paz con el inventor de la antena fractal. Fuente original

En los últimos años, me he enfrentado regularmente a los desafíos de desarrollar módulos de microondas UWB (banda ultra ancha) y unidades funcionales. Y por más triste que sea para mí decir esto, obtengo casi toda la información sobre el tema de fuentes extranjeras. Sin embargo, hace un tiempo, buscando la información que necesitaba, encontré uno que prometía solución a todos mis problemas. Quiero hablar de cómo los problemas no se resolvieron.

Uno de los constantes “quebraderos de cabeza” en el desarrollo de dispositivos de microondas UWB es el desarrollo de antenas UWB, que deben tener un conjunto de determinadas propiedades. Entre estas propiedades se encuentran las siguientes:

1. Acuerdo en la banda de frecuencia de operación (por ejemplo, de 1 a 4 GHz). Sin embargo, esto sucede cuando es necesario coincidir en el rango de frecuencia de 0,5 GHz a 5 GHz. Y aquí surge el problema de bajar de 1 GHz de frecuencia. En general, tuve la impresión de que la frecuencia de 1 GHz tiene algún tipo de poder místico; puedes acercarte a él, pero es muy difícil superarlo, porque en este caso, se viola otro requisito para la antena, a saber

2. Compacidad. Después de todo, no es ningún secreto que hoy en día pocas personas necesitan una antena de bocina de guía de ondas de enorme tamaño. Todo el mundo quiere una antena que sea pequeña, ligera y compacta para poder colocarla en una carcasa. dispositivo portátil. Pero al compactar la antena, resulta muy difícil cumplir con el párrafo 1 de los requisitos para la antena, porque La frecuencia mínima del rango operativo está estrechamente relacionada con el tamaño máximo de la antena. Alguien dirá que se puede hacer una antena con un dieléctrico con una constante dieléctrica relativa alta... Y tendrán razón, pero esto contradice el siguiente elemento de nuestra lista, que dice que

3. La antena debe ser lo más barata posible y estar fabricada con los materiales más accesibles y económicos (por ejemplo, FR-4). Porque nadie quiere pagar mucho, mucho dinero por una antena, aunque sea tres veces más brillante. Todo el mundo quiere conocer el coste de la antena en la fase de fabricación. placa de circuito impreso tendía a cero. Porque este es nuestro mundo...

4. Hay un requisito más que surge a la hora de resolver diversos problemas asociados, por ejemplo, a la localización de corto alcance, así como a la creación de varios sensores utilizando tecnología UWB (aquí hay que aclarar que estamos hablando acerca de sobre aplicaciones de baja potencia donde cada dBm cuenta). Y este requisito establece que el patrón de radiación (DP) de la antena diseñada debe formarse en un solo hemisferio. ¿Para qué sirve? Para que la antena "brille" sólo en una dirección, sin disipar energía preciosa en el "retorno". Esto también permite mejorar una serie de indicadores del sistema en el que se utiliza dicha antena.

¿Por qué escribo todo esto...? Para que el lector curioso comprenda que el desarrollador de dicha antena se enfrenta a muchas restricciones y prohibiciones que debe superar de forma heroica o ingeniosa.

Y de repente, como una revelación, aparece un artículo que promete una solución a todos los problemas anteriores (así como a los que no fueron mencionados). Leer este artículo evoca una ligera sensación de euforia. Aunque la primera vez no entiendas del todo lo que está escrito, la palabra mágica “fractal” suena muy prometedora, porque La geometría euclidiana ya ha agotado sus argumentos.

Nos ponemos manos a la obra con valentía y alimentamos al simulador la estructura propuesta por el autor del artículo. El simulador gruñe guturalmente como el refrigerador de una computadora, mastica gigabytes de números y escupe el resultado digerido... Al mirar los resultados de la simulación, te sientes como un niño engañado. Se me llenan los ojos de lágrimas porque... Nuevamente los sueños aireados de tu infancia chocaron con el hierro fundido... la realidad. No hay coordinación en el rango de frecuencia 0,1 GHz - 24 GHz. Incluso en el rango de 0,5 GHz - 5 GHz no hay nada parecido.

Todavía hay una tímida esperanza de que no entendiste algo, que hiciste algo mal... Comienza la búsqueda del punto de conmutación, varias variaciones con la topología, pero todo es en vano: ¡está muerto!

Lo más triste de esta situación es que hasta el último momento buscas en ti mismo el motivo del fracaso. Gracias a mis compañeros de trabajo que me explicaron que todo estaba correcto, no debería funcionar.

PD Espero que mi publicación del viernes te haya hecho sonreír.
La moraleja de esta presentación es la siguiente: ¡estén atentos!
(Y tenía muchas ganas de escribir un ANTI-artículo sobre esto, porque me engañaron).

Lo primero que me gustaría escribir es una pequeña introducción a la historia, teoría y uso de las antenas fractales. Recientemente se descubrieron antenas fractales. Fueron inventados por primera vez por Nathan Cohen en 1988, luego publicó su investigación sobre cómo hacer una antena de TV con cable y la patentó en 1995.

La antena fractal tiene varias características únicas, como está escrito en Wikipedia:

“Una antena fractal es una antena que utiliza un diseño fractal autorrepetitivo para maximizar la longitud o aumentar el perímetro (en áreas internas o estructura externa) de un material que puede recibir o transmitir señales electromagnéticas dentro de una superficie o volumen total determinado. .”

¿Qué significa esto exactamente? Bueno, necesitas saber qué es un fractal. También de Wikipedia:

"Un fractal suele ser una forma geométrica rugosa o fragmentada que se puede dividir en partes, siendo cada parte una copia más pequeña del todo, una propiedad llamada autosemejanza".

Así, un fractal es una forma geométrica que se repite una y otra vez, independientemente del tamaño de las partes individuales.

Se ha descubierto que las antenas fractales son aproximadamente un 20% más eficientes que las antenas convencionales. Esto puede ser útil especialmente si desea que su antena de TV reciba video digital o de alta definición, aumente el alcance celular, el alcance de Wi-Fi, la recepción de radio FM o AM, etc.

En la mayoría celulares Ya existen antenas fractales. Quizás hayas notado esto porque Celulares Ya no tenemos antenas en el exterior. Esto se debe a que tienen antenas fractales en su interior, grabadas en la placa de circuito, lo que les permite recibir una mejor señal y captar más frecuencias, como Bluetooth, celular y Wi-Fi desde una antena.

Wikipedia:

“La respuesta de la antena fractal es notablemente diferente de los diseños de antena tradicionales en que es capaz de operar con buen rendimiento en diferentes frecuencias simultáneamente. Se debe cortar la frecuencia de las antenas estándar para poder recibir solo esa frecuencia. Por lo tanto, una antena fractal, a diferencia de una antena convencional, es un diseño excelente para aplicaciones de banda ancha y multibanda”.

El truco consiste en diseñar su antena fractal para que resuene en la frecuencia central específica que desee. Esto significa que la antena se verá diferente dependiendo de lo que quieras lograr. Para hacer esto necesitas usar matemáticas (o una calculadora en línea).

En mi ejemplo voy a hacer antena sencilla, pero puedes hacerlo más complejo. Cuanto más complejo mejor. Usaré una bobina de cable de núcleo sólido de 18 hilos para hacer la antena, pero puedes personalizar tus propias placas de circuito para adaptarlas a tu estética, hacerlas más pequeñas o más complejas con mayor resolución y resonancia.

Voy a hacer una antena de TV para recibir TV digital o TV. alta resolución. Es más fácil trabajar con estas frecuencias y su longitud varía entre aproximadamente 15 cm y 150 cm para media longitud de onda. Por simplicidad y bajo costo de piezas, la colocaré en una antena dipolo común, captará ondas en el rango de 136-174 MHz (VHF).

Para recibir ondas UHF (400-512 MHz), puedes agregar un director o reflector, pero esto hará que la recepción dependa más de la dirección de la antena. VHF también es direccional, pero en lugar de apuntar directamente a la estación de TV en una instalación UHF, necesitarás montar los oídos VHF perpendiculares a la estación de TV. Esto requerirá un poco más de esfuerzo. Quiero que el diseño sea lo más simple posible, porque esto ya es algo bastante complejo.

Componentes principales:

• Superficie de montaje, como por ejemplo una carcasa de plástico (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 tornillos. Utilicé tornillos para chapa de acero.
• Transformador con resistencia de 300 Ohm a 75 Ohm.
• Cable de montaje de 18 AWG (0,8 mm)
• Cable coaxial RG-6 con terminaciones (y con funda de goma si la instalación será en exteriores)
• Aluminio cuando se utiliza un reflector. Había uno en el archivo adjunto de arriba.
• marcador fino
• Dos pares de alicates pequeños
• La regla no mide menos de 20 cm.
• Transportador para medición de ángulos
• Dos brocas, una de diámetro ligeramente más pequeño que los tornillos
• Cortador de alambre pequeño
• Destornillador o destornillador

Nota: La parte inferior de la antena de alambre de aluminio está en el lado derecho de la imagen, donde sobresale el transformador.

Paso 1: agregar un reflector

Montar la carcasa con el reflector debajo de la cubierta de plástico.

Paso 2: taladrar agujeros e instalar puntos de montaje

Taladre pequeños orificios de salida en el lado opuesto del reflector en estas posiciones y coloque un tornillo conductor.

Paso 3: medir, cortar y pelar cables

Corta cuatro trozos de alambre de 20 cm y colócalos sobre el cuerpo.

Paso 4: medir y marcar cables

Con un marcador, marque cada 2,5 cm en el cable (habrá curvas en estos puntos)

Paso 5: Creando fractales

Este paso debe repetirse para cada trozo de alambre. Cada curva debe tener exactamente 60 grados, ya que haremos triángulos equiláteros para el fractal. Usé dos pares de alicates y un transportador. Cada curva se realiza sobre una marca. Antes de realizar los pliegues, visualiza la dirección de cada uno de ellos. Utilice el diagrama adjunto para esto.

Paso 6: Creando dipolos

Corte dos trozos más de cable de al menos 6 pulgadas de largo, envuélvalos alrededor de los tornillos superiores e inferiores a lo largo del lado largo y luego envuélvalos alrededor de los tornillos centrales. Luego recorta el exceso de longitud.

Paso 7: Instalación de dipolos e instalación de transformador.

Asegure cada uno de los fractales en los tornillos de las esquinas.

Conecte un transformador de la impedancia adecuada a los dos tornillos centrales y apriételos.

¡Montaje completo! ¡Dale un vistazo y disfrutalo!

Paso 8: Más iteraciones/experimentos

Hice algunos elementos nuevos usando una plantilla de papel de GIMP. Utilicé un pequeño cable telefónico sólido. Era lo suficientemente pequeño, fuerte y flexible como para doblarse en las formas complejas requeridas para la frecuencia central (554 MHz). este es el promedio señal digital UHF para canales televisión terrestre en mi área.

Foto adjunta. Puede resultar difícil ver los cables de cobre con poca luz contra el cartón y la cinta adhesiva en la parte superior, pero se entiende la idea.

Los elementos de este tamaño son bastante frágiles, por lo que es necesario manipularlos con cuidado.

También agregué una plantilla en formato png. Para imprimir el tamaño que desea, deberá abrirlo en un editor de fotografías como GIMP. La plantilla no es perfecta porque la hice a mano con un mouse, pero es lo suficientemente cómoda para la mano humana.

CDU 621.396

Antena fractal de banda ultra ancha basada en un monopolo circular.

GRAMO.I. Abdrajmanova

Universidad Técnica Estatal de Aviación de Ufá,

Universidad de los Estudios de Trento

Anotación.El artículo analiza el problema de diseñar una antena de banda ultraancha basada en tecnología fractal. Se presentan los resultados de los estudios de cambios en las características de la radiación según el factor de escala.y nivel de iteración. Se llevó a cabo una optimización paramétrica de la geometría de la antena para cumplir con los requisitos del coeficiente de reflexión. Las dimensiones de la antena desarrollada son 34 × 28 mm 2 y el rango de frecuencia de funcionamiento es 3,09 ÷ 15 GHz.

Palabras clave:Comunicaciones por radio de banda ultraancha, tecnología fractal, antenas, reflectividad.

Abstracto:En el artículo se describe el desarrollo de una nueva antena de banda ultraancha basada en tecnología fractal. Se presentan los resultados de la investigación sobre los cambios en las características de la radiación según el valor del factor de escala y el nivel de iteración. Se aplicó la optimización paramétrica de la geometría de la antena para satisfacer los requisitos del coeficiente de reflexión. El tamaño de la antena desarrollada es 28 × 34 mm 2 y el ancho de banda es 3,09 ÷ 15 GHz.

Palabras clave:comunicación por radio de banda ultraancha, tecnología fractal, antenas, coeficiente de reflexión.

1. Introducción

Hoy en día, los sistemas de comunicación de banda ultraancha (UWB) son de gran interés para los desarrolladores y fabricantes de equipos de telecomunicaciones, ya que permiten transmitir grandes flujos de datos a altas velocidades en una banda de frecuencia ultraancha sin licencia. Las peculiaridades de las señales transmitidas implican la ausencia de amplificadores potentes y componentes complejos de procesamiento de señales como parte de los complejos transceptores, pero limitan el alcance (5-10 m).

La falta de una base de elementos adecuada capaz de trabajar eficazmente con pulsos ultracortos está frenando la adopción masiva de la tecnología UWB.

Las antenas transceptoras son uno de los elementos clave que influyen en la calidad de la transmisión/recepción de la señal. La principal dirección de las patentes y la investigación en el campo del diseño de tecnología de antenas para dispositivos UWB es la miniaturización y reducción de los costos de producción, garantizando al mismo tiempo las características de frecuencia y energía requeridas, así como el uso de nuevas formas y estructuras.

Así, la geometría de la antena está construida a base de un spline con una ranura rectangular en forma de U en el centro, lo que le permite operar en la banda UWB con función de bloqueo. WiFi -banda, dimensiones de la antena - 45,6 × 29 mm 2. Como elemento radiante se eligió una figura asimétrica en forma de E de 28×10 mm 2, situada a una altura de 7 mm con respecto al plano conductor (50×50 mm 2). Se presenta una antena monopolo plana (22x22mm2) diseñada en base a un elemento radiante rectangular y una estructura resonante en escalera en el reverso.

2 Planteamiento del problema

Debido al hecho de que las estructuras circulares pueden proporcionar un ancho de banda bastante amplio, un diseño simplificado, un tamaño pequeño y costos de producción reducidos, este artículo propone desarrollar una antena UWB basada en un monopolo circular. Rango de frecuencia de funcionamiento requerido: 3,1 ÷ 10,6 GHz a un nivel de coeficiente de reflexión de -10 dB S 11, (Figura 1).

Arroz. 1. Máscara requerida para la reflectancia T 11

Para la miniaturización, la geometría de la antena se modernizará mediante el uso de tecnología fractal, que también permitirá estudiar la dependencia de las características de la radiación del valor del factor de escala. δ y el nivel de iteración fractal.

A continuación, nos propusimos optimizar la antena fractal desarrollada para ampliar el rango operativo cambiando los siguientes parámetros: la longitud del conductor central (CP) de la guía de ondas coplanar (HF), la longitud del plano de tierra (GP ) del HF, la distancia “CP HF - elemento radiante (E)”.

El modelado de antenas y los experimentos numéricos se llevan a cabo en el " Estudio de microondas CST ".

3 Selección de la geometría de la antena

Como elemento básico se eligió un monopolo circular, cuyas dimensiones son un cuarto de la longitud de onda del rango requerido:

Dónde lar– longitud del elemento radiante de la antena sin tener en cuenta la CPU;fl– frecuencia límite inferior,fl = F min uwb = 3,1·109 Hz; Con- velocidad de la luz, Con = 3·10 8 m/s 2 .

Obtenemos lar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Considerando que un círculo con un radio der = lar / 2 = 12 mm, y tomando la longitud original de la CPUL f también igual r, obtenemos la iteración cero (Fig. 2).

Arroz. 2. Iteración cero de la antena.

Espesor del sustrato dieléctricotsy con valores de parámetrosεs = 3,38, tg δ = 0,0025 se utiliza como base en cuyo lado frontal IE, CPU y PZ . Al mismo tiempo, las distancias " PZ-CP" zv y "PZ-IE" Z h tomado igual a 0,76 mm. Los valores de otros parámetros utilizados en el proceso de modelado se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de la antena ( δ = 2)

Nombre	Descripción	Fórmula	Significado
la	Longitud de la antena	2 ∙ r + L f	36 milímetros
W un	Ancho de antena	2 ∙ r	24mm
L f	longitud de la CPU	r+ 0,1	12,1 milímetros
wf	ancho de CPU		1,66 milímetros
LG	Longitud PZ	r-Ts	11,24 milímetros
ls	Longitud del sustrato	la + gs	37mm
Ws	Ancho del sustrato	W un+ 2 ∙ gs	26mm
g s 1	Espacio de sustrato vertical		1 milímetro
gs 2	Espacio de sustrato horizontal		1 milímetro
tm	Espesor del metal		0,035 milímetros
ts	Espesor del sustrato		0,76 milímetros
r	Radio del círculo de la 0ª iteración.		12mm
r 1	Radio del círculo de la 1.ª iteración.	r /2	6mm
r 2	Radio del círculo de la segunda iteración.	r 1 /2	3 milímetros
r 3	Radio del círculo 3 iteraciones.	r 2 /2	1,5 milímetros
εs	La constante dieléctrica		3,38

La antena está alimentada por una guía de ondas coplanar que consta de un conductor central y un plano de tierra, AME -conector y un puerto de guía de ondas coplanar (CWP) ubicado perpendicular al mismo (Fig. 3).

Dónde εef – constante dieléctrica efectiva:

k – integral elíptica completa de primer tipo;

	(5)

La fractalidad al construir una antena radica en una forma especial de empaquetar los elementos: las iteraciones posteriores de la antena se forman colocando círculos de radio más pequeño en los elementos de la iteración anterior. En este caso, el factor de escala δ determina cuántas veces diferirán los tamaños de las iteraciones vecinas. Este proceso para la ocasión δ = 2 se muestra en la Fig. 4.

Arroz. 4. Primera, segunda y tercera iteración de la antena ( δ = 2)

Así, la primera iteración se obtuvo restando dos círculos con un radior 1 del elemento original. La segunda iteración se forma colocando círculos de metal con un radio reducido a la mitad.r 2 en cada círculo de la primera iteración. La tercera iteración es similar a la primera, pero el radio esr 3 . La obra examina la disposición vertical y horizontal de los círculos.

3.1 Disposición horizontal de elementos

La dinámica de los cambios en el coeficiente de reflexión dependiendo del nivel de iteración se presenta en la Fig. 5 para δ = 2 y en la Fig. 6 para δ = 3. Cada nuevo orden corresponde a una frecuencia de resonancia adicional. Así, la iteración cero en el rango considerado 0 ÷ 15 GHz corresponde a 4 resonancias, la primera iteración a 5, etc. Además, a partir de la segunda iteración, los cambios en el comportamiento de las características se vuelven menos notorios.

Arroz. 5. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

La esencia del modelado es que en cada etapa, de las características consideradas, se selecciona la que se determina como la más prometedora. En este sentido, se ha introducido la siguiente regla:

Si el exceso (diferencia) en el rango donde el estante está por encima de -10 dB es pequeño, entonces se debe elegir la característica que tiene un estante más bajo en el rango operativo (por debajo de -10 dB), ya que como resultado de la optimización el primero será eliminado, y el segundo cayó aún más.

Arroz. 6. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

Con base en los datos recibidos y de acuerdo con esta regla para δ = 2 se selecciona la curva correspondiente a la primera iteración para δ = 3 – segunda iteración.

A continuación, se propone estudiar la dependencia del coeficiente de reflexión del valor del factor de escala. Considere el cambio δ en el rango 2 ÷ 6 con el paso 1 dentro de la primera y segunda iteración (Fig. 7, 8).

Un comportamiento interesante de las gráficas es que, a partir de δ = 3, las características se vuelven más planas y suaves, el número de resonancias permanece constante y el crecimiento δ acompañado de un aumento en el nivel T 11 en rangos pares y una disminución en los impares.

Arroz. 7. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, el valor elegido para ambas iteraciones es δ = 6.

Arroz. 8. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, ya que se caracteriza por los estantes más bajos y las resonancias más profundas (Fig. 9).

Arroz. 9. Comparación del S 11

3.2 Disposición vertical de elementos

La dinámica de los cambios en el coeficiente de reflexión dependiendo del nivel de iteración para el caso de disposición vertical de círculos se presenta en la Fig. 10 por δ = 2 y en la Fig. 11 para δ = 3.

Arroz. 10. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

En base a los datos obtenidos y de acuerdo con la norma para δ = 2 y δ = 3 se selecciona la curva correspondiente a la tercera iteración.

Arroz. 11. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

La consideración de la dependencia del coeficiente de reflexión del valor del factor de escala dentro de la primera y segunda iteración (Fig. 12, 13) revela el valor óptimo δ = 6, como en el caso de la disposición horizontal.

Arroz. 12. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, el valor elegido para ambas iteraciones es δ = 6, que también representanorte-fractal múltiple, lo que significa que puede tener que combinar características δ = 2 y δ = 3.

Arroz. 13. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Así, de las cuatro opciones comparadas, se seleccionó la curva correspondiente a la segunda iteración, δ = 6, como en el caso anterior (Fig. 14).

Arroz. 14. Comparación T 11 para las cuatro geometrías de antena consideradas

3.3 Comparación

Considerando las mejores opciones de geometrías verticales y horizontales obtenidas en los dos subapartados anteriores, se opta por la primera (Fig. 15), aunque en este caso la diferencia entre estas opciones no es tan grande. Rangos de frecuencia de funcionamiento: 3,825÷4,242 GHz y 6,969÷13,2 GHz. A continuación, se modernizará el diseño para desarrollar una antena que funcione en todo el rango UWB.

Arroz. 15. Comparación T 11 para seleccionar la opción final

4 Optimización

Esta sección analiza la optimización de la antena basada en la segunda iteración del fractal con el valor del coeficiente. δ = 6. Los parámetros variables se presentan en y los rangos de sus cambios se encuentran en la Tabla 2.

Arroz. 20. Aspecto de la antena: a) parte frontal; b) reverso

En la Fig. 20 muestra las características que reflejan la dinámica del cambio. T 11 paso a paso y demostrando la validez de cada acción posterior. La Tabla 4 muestra las frecuencias de resonancia y de corte utilizadas para calcular las corrientes superficiales y los patrones de radiación.

Mesa 3. Parámetros de antena calculados

Nombre	Valor inicial, mm	Valor final, mm
∆ L f
Z h	Mesa 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

La distribución de las corrientes superficiales de la antena en las frecuencias resonantes y límite del rango UWB se muestra en la Fig. 21, y los patrones de radiación están en la Fig. 22.

a) 3,09 GHz b) 3,6 GHz

c) 6,195 GHz d) 8,85 GHz

e) 10,6 GHz f) 12,87 GHz

Arroz. 21. Distribución de corrientes superficiales.

A) F(φ ), θ = 0°b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0°g) F(θ ), φ = 90°

Arroz. 22. Patrones de radiación en el sistema de coordenadas polares.

5 Conclusión

Este artículo presenta un nuevo método para diseñar antenas UWB basado en el uso de tecnología fractal. Este proceso implica dos etapas. Inicialmente, la geometría de la antena se determina seleccionando el factor de escala apropiado y el nivel de iteración fractal. A continuación, se aplica la optimización paramétrica a la forma resultante basándose en el estudio de la influencia de los tamaños de los componentes clave de la antena en las características de la radiación.

Se ha establecido que a medida que aumenta el orden de iteración, aumenta el número de frecuencias de resonancia y el aumento en el factor de escala dentro de una iteración se caracteriza por un comportamiento más plano. T 11 y constancia de resonancias (a partir de δ = 3).

La antena desarrollada proporciona una recepción de alta calidad de señales en la banda de frecuencia 3,09 ÷ 15 GHz en términos de nivel T 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Agradecimientos

El estudio fue apoyado por una subvención de la Unión Europea " Acción Erasmus Mundus 2", también A.G.I. gracias profesor Paolo Rocca para una discusión útil.

Literatura

1.l . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Antena UWB monopolo plana con características de muesca en banda WLAN UNII1/UNII2. Progresos en la investigación electromagnética B, vol. 25, 2010. – 277-292 págs.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Antenas de parche cortocircuitado de banda ultra ancha alimentadas por parche plegado con múltiples resonancias. Progresos en la investigación electromagnética B, vol. 44, 2012. – 309-326 págs.

3. R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdée. Antena monopolo plana que emplea una estructura resonante en forma de escalera de plano posterior para un rendimiento de banda ultraancha. IET Microondas, antenas y propagación, vol. 4, edición. 9, 2010. – 1327-1335 págs.

4. Revisión de la Parte 15 de las Reglas de la Comisión sobre Sistemas de Transmisión de Banda Ultra Ancha, Comisión Federal de Comunicaciones, FCC 02-48, 2002. – 118 p.